DE102017107003A1

DE102017107003A1 - Container for operating high temperature fuel cells

Info

Publication number: DE102017107003A1
Application number: DE102017107003.6A
Authority: DE
Inventors: Heinz Peter Berg
Original assignee: Brandenburgische Technische Universitaet Cottbus
Current assignee: T-CELL AG, DE
Priority date: 2017-03-31
Filing date: 2017-03-31
Publication date: 2018-10-04
Also published as: EP3602669A1; WO2018178232A1; EP3602669B1; EP3602669C0

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Behältnis 1 zur Aufnahme und zum Betrieb von Hochtemperaturbrennstoffzellen 2, umfassend mehrere übereinander angeordnete Schichten 3,wobei eine äußere Schicht 3a das Behältnis 1 nach außen hin begrenzt und im so ausgebildeten Innenraum des Behältnisses 1 weitere Schichten 3 angeordnet sind, wobei eine innere Schicht 3b, zur Aufnahme von Hochtemperaturbrennstoffzellen 2, zentral im Innenraum des Behältnisses 1 angeordnet ist und die Hochtemperaturbrennstoffzellen 2 vollständig umhüllt, eine dritte Schicht 3c, welche über der inneren Schicht 3b angeordnet ist und diese vollständig umhüllt, mindestens eine vierte Schicht 3d, welche über der dritten Schicht 3c angeordnet ist und diese vollständig umhüllt, und die äußere Schicht 3a, welche über der mindestens vierten Schicht 3d angeordnet ist und diese vollständig umhüllt, wobei zwischen mindestens zwei übereinander angeordneten Schichten 3 ein durch Fluide durchdringbarer Zwischenraum 4 ausgebildet ist.Vorteilhaft an diesem Aufbau ist, dass das erfindungsgemäße Behältnis von der Umgebung abgeschirmt ist, wodurch zum einen so gut wie keine Wärme nach außen abgegeben wird und auf Grund dessen und der Teilewärmerückführung im Innern des Behältnisses, insgesamt der Wärmeverlust reduziert wird.The present invention relates to a container 1 for receiving and operating high-temperature fuel cells 2, comprising a plurality of superimposed layers 3, wherein an outer layer 3a, the container 1 is limited to the outside and further arranged in the interior of the container 1 further layers 3, wherein an inner layer 3b, for receiving high-temperature fuel cells 2, is arranged centrally in the interior of the container 1 and fully envelops the high-temperature fuel cells 2, a third layer 3c, which is arranged above the inner layer 3b and completely envelops it, at least one fourth layer 3d, which is arranged above the third layer 3c and completely envelopes it, and the outer layer 3a, which is arranged above the at least fourth layer 3d and completely envelopes it, wherein between at least two superimposed layers 3 a fluid-penetrable intermediate An advantage of this structure is that the container according to the invention is shielded from the environment, which on the one hand as good as no heat is released to the outside and due to this and the partial heat feedback inside the container, the total heat loss is reduced ,

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Behältnis zur Aufnahme und zum Betrieb von Hochtemperaturbrennstoffzellen.The present invention relates to a container for receiving and operating high-temperature fuel cells.

Im Stand der Technik sind hybride Kombinationen von Hochtemperaturbrennstoffzellen mit Gasturbinen bekannt. Hierbei werden die einzelnen Komponenten, wie z. Bsp. Turbinenteile, Wärmetauscher, Nachbrennkammer oder Druckbehälter, stets mit Rohrleitungen verbunden. Diese müssen isoliert werden, um den Wärmeverlust zu minimieren. Eine besonders hohe Anforderung wird hierbei an den Druckbehälter, in dem sich die Hochtemperaturbrennstoffzellen befinden, gestellt. Dieser Behälter muss dem hohen Betriebsdruck bei hohen Betriebstemperaturen von 650°C - 1100°C standhalten können und den gesetzlich gültigen Behälterrichtlinien genügen. Dasselbe gilt für die verbindenden Rohrleitungen.In the prior art, hybrid combinations of high temperature fuel cells with gas turbines are known. Here are the individual components, such. For example, turbine parts, heat exchangers, secondary combustion chambers or pressure vessels, always connected to pipelines. These must be insulated to minimize heat loss. A particularly high requirement is placed on the pressure vessel in which the high-temperature fuel cells are located. This vessel must be able to withstand the high operating pressure at high operating temperatures of 650 ° C - 1100 ° C and comply with the legal container guidelines. The same applies to the connecting pipes.

In EP 2 057 708 B1 werden eine integrierte Festoxid-Brennstoffzelle und ein Brennstoffprozessor offenbart. Die Brennstoffzellen-Einheit umfasst eine Mehrzahl an zueinander winkeligen Brennstoffzellen-Stacks, die in einer ringförmigen Struktur angeordnet sind, um eine zentrale Achse zu bilden, wobei jeder der Brennstoffzellen-Stacks eine Stapelrichtung aufweist, die sich parallel zu der zentralen Achse erstreckt. Eine ringförmige Kathodenzufuhrleitung umgibt die Brennstoffzellen-Stacks, um einen Kathodenzufuhrstrom dorthin zu liefern und die Brennstoffzellen-Stacks wiederum umgeben eine ringförmige Kathodenabgasleitung, um einen Kathodenabgasstrom davon aufzunehmen. Zudem ist offenbart, dass die Brennstoffzellen-Einheit einen ringförmigen Kathodenrekuperator-Wärmetauscher, der von den Brennstoffzellen-Stacks radial nach außen positioniert ist, um Wärme zwischen einem Kathodenzufuhrstrom und einem Kathodenabgasstrom zu übertragen und einen ringförmigen Anodenrekuperator-Wärmetauscher, der radial einwärts von den Brennstoffzellen-Stacks positioniert ist, um Wärme zwischen einem Anodenzufuhrstrom und einem Anodenabgasstrom zu übertragen, umfasst.In EP 2 057 708 B1 For example, an integrated solid oxide fuel cell and a fuel processor are disclosed. The fuel cell assembly includes a plurality of mutually angular fuel cell stacks disposed in an annular structure to form a central axis, each of the fuel cell stacks having a stacking direction that extends parallel to the central axis. An annular cathode feed line surrounds the fuel cell stacks to provide a cathode feed stream thereto and the fuel cell stacks in turn surround an annular cathode exhaust line to receive a cathode exhaust stream therefrom. In addition, it is disclosed that the fuel cell assembly includes an annular cathode recuperator heat exchanger positioned radially outward of the fuel cell stacks to transfer heat between a cathode feed stream and a cathode exhaust stream and an annular anode recuperator heat exchanger disposed radially inward of the fuel cells Stacks is positioned to transfer heat between an anode feed stream and an anode exhaust stream comprises.

Die Nachteile des aktuellen Standes der Technik sind, dass die Anlagen relativ groß und schwer gebaut werden müssen und die Wärmeverluste (Reduktion des Exergiepotentials) und die entstehenden Materialkosten auf Grund der Verwendung von hochtemperaturbeständigen Stählen, einer Vielzahl von Isolierungen und erhöhten Materialeinsatz, hoch sind.The disadvantages of the current state of the art are that the systems must be relatively large and heavy and the heat losses (reduction of Exergiepotentials) and the resulting material costs due to the use of high temperature resistant steels, a variety of insulation and increased material use, are high.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher ein Behältnis zur Aufnahme und zum Betrieb von Hochtemperaturbrennstoffzellen bereitzustellen, welches die Nachteile des Standes der Technik überwindet.The object of the present invention is therefore to provide a container for receiving and operating high-temperature fuel cells, which overcomes the disadvantages of the prior art.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Behältnis 1 zur Aufnahme und zum Betrieb von Hochtemperaturbrennstoffzellen 2, umfassend mehrere übereinander angeordnete Schichten 3, wobei eine äußere Schicht 3a das Behältnis 1 nach außen hin begrenzt und im so ausgebildeten Innenraum des Behältnisses 1 weitere Schichten 3 angeordnet sind, wobei eine innere Schicht 3b, zur Aufnahme von Hochtemperaturbrennstoffzellen 2, zentral im Innenraum des Behältnisses 1 angeordnet ist und die Hochtemperaturbrennstoffzellen 2 vollständig umhüllt, eine dritte Schicht 3c , welche über der inneren Schicht 3b angeordnet ist und diese vollständig umhüllt, mindestens eine vierte Schicht 3d, welche über der dritten Schicht 3c angeordnet ist und diese vollständig umhüllt, und die äußere Schicht 3a, welche über der mindestens vierten Schicht 3d angeordnet ist und diese vollständig umhüllt, wobei zwischen mindestens zwei übereinander angeordneten Schichten 3 ein durch Fluide durchdringbarer Zwischenraum 4 ausgebildet ist.The object is achieved by a container 1 for receiving and operating high-temperature fuel cells 2, comprising a plurality of layers 3 arranged one above the other, wherein an outer layer 3a limits the container 1 to the outside and further layers 3 are arranged in the interior of the container 1 thus formed, wherein an inner layer 3b, for receiving high-temperature fuel cells 2, is arranged centrally in the interior of the container 1 and completely envelops the high-temperature fuel cells 2, a third layer 3c, which is arranged above the inner layer 3b and completely envelops it, at least one fourth layer 3d which is disposed over and completely enveloping the third layer 3c, and the outer layer 3a disposed over and fully enveloping the at least fourth layer 3d, wherein between at least two superimposed layers 3, a fluid penetrable intermediate space 4 is formed.

Hochtemperaturbrennstoffzellen verwenden keramische Elektrolyte zur Leitung von Sauerstoffionen, um durch die Übertragung von Sauerstoffionen von einem oxidierenden Gasstrom an der Kathode der Hochtemperaturbrennstoffzelle zu einem reduzierenden Gasstrom an der Anode der Hochtemperaturbrennstoffzelle einen elektrischen Strom zu produzieren. Hochtemperaturbrennstoffzellen benötigen einen Betriebstemperaturbereich, der verglichen mit jeglichen anderen Brennstoffzelltechnologien der höchste ist, wodurch eine Reihe von Vorteilen entstehen. Die Geschwindigkeit elektrochemischer Reaktionen der Hochtemperaturbrennstoffzellen erhöht sich mit steigender Temperatur, wodurch die Aktivierungsspannungsverluste für die Hochtemperaturbrennstoffzellen verringert werden. Die hohe Betriebstemperatur von Hochtemperaturbrennstoffzellen kann die Notwendigkeit von Edelmetallkatalysatoren ausschließen, wodurch Materialkosten wesentlich reduziert werden können.High temperature fuel cells use ceramic electrolytes to conduct oxygen ions to produce an electrical current by transferring oxygen ions from an oxidizing gas stream at the cathode of the high temperature fuel cell to a reducing gas stream at the anode of the high temperature fuel cell. High temperature fuel cells require an operating temperature range that is the highest compared to any other fuel cell technology, providing a number of advantages. The rate of electrochemical reactions of the high temperature fuel cells increases with increasing temperature, thereby reducing the activation voltage losses for the high temperature fuel cells. The high operating temperature of high temperature fuel cells can eliminate the need for noble metal catalysts, which can significantly reduce material costs.

Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist eine Schicht eine sehr dünne, größere Fläche aus Material bzw. Werkstoff, wobei die Schicht aus Material bestehen kann, welches für Fluide durchlässig ist oder aus Material, welches für Fluide undurchlässig ist. Des Weiteren kann im Sinne der vorliegenden Erfindung das Material, aus dem die Schicht besteht, einteilig ausgebildet sein, aus einer Netzstruktur bestehen oder porös sein. Eine erfindungsgemäße Schicht kann eine Wärmedurchgangsschicht, Isolierschicht oder Speicherschicht sein, je nachdem aus welchem Material sie besteht. Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist die Isolierschicht für bestimmte Stoffe bzw. Fluide undurchlässig oder weist eine gegen bestimmte Einflüsse abschirmende Funktion auf. Dadurch wird die Abgabe von Wärme vom erfindungsgemäßen Behältnis an die Umgebung verringert und somit der Wärmeverlust insgesamt reduziert. Des Weiteren kann im Sinne der vorliegenden Erfindung durch die Wärmedurchgangsschicht Wärme von einem Zwischenraum zu einem anderen Zwischenraum über die Wärmedurchgangsschicht abgegeben werden. Die Speicherschicht kann die Funktion eines Latentwärmespeichers aufweisen, welcher thermische Energie verborgen, verlustarm, mit vielen Wiederholzyklen und über lange Zeit speichern kann. Die Schichten können aus unterschiedlichen Materialien bestehen, wodurch die Funktionen der einzelnen Schichten unterschiedlich sein können. Insbesondere bevorzugt ist es bei der vorliegenden Erfindung, wenn die innere Schicht eine Isolierschicht ist oder eine Isolierschicht, die zusätzlich eine Speicherschicht aufweist. Diese Speicherschicht ist jedoch lediglich auf der Seite der inneren Schicht aufgebracht, die den Hochtemperaturbrennstoffzellen zugewandt ist. Die äußere Schicht sowie die dritte und vierte Schicht sind jeweils Isolierschichten. Im Sinne der vorliegenden Erfindung können alle Schichten mehrschichtig aufgebaut sein, jedoch ist insbesondere die vierte Schicht mehrschichtig aufgebaut und eine Isolierschicht sowie eine weitere Schicht aufweist, welche für jegliche Massenströme völlig undurchlässig ist. Vorteilhaft an diesem Aufbau ist somit, dass das erfindungsgemäße Behältnis von der Umgebung abgeschirmt ist, wodurch zum einen sehr wenig Wärme nach außen abgegeben wird, wodurch der Wärmeverlust insgesamt reduziert wird und zum anderen das Behältnis nach außen hin kalt ist, wodurch das Verbrennungsrisiko für den Anwender nahezu eliminiert wurde. Des Weiteren wird der Wärmeverlust durch die interne Rückführung der Wärme reduziert. Als Zwischenraum wird erfindungsgemäß der Bereich bezeichnet, der zwischen zwei übereinander angeordneten Schichten bzw. benachbarten Schichten ausgebildet ist bzw. durch diese Schichten begrenzt wird. Im Sinne der vorliegenden Erfindung bilden zwei übereinander angeordnete Schichten einen Zwischenraum aus, wobei erfindungsgemäß zumindest einer dieser Zwischenräume mit Fluiden durchdringbar ist. Fluide sind im Sinne der vorliegenden Erfindung Gase oder Flüssigkeiten. Des Weiteren können in Zwischenräumen Kabel aufgenommen werden oder durch die Schichten hindurchgeführt werden. Somit ist der Aufbau des erfindungsgemäßen Behältnisses insgesamt kompakt und die Baugröße verringert.For the purposes of the present invention, a layer is a very thin, larger surface of material or material, wherein the layer may consist of material which is permeable to fluids or of material which is impermeable to fluids. Furthermore, for the purposes of the present invention, the material of which the layer consists may be formed in one piece, consist of a network structure or be porous. A layer according to the invention may be a heat transfer layer, insulating layer or storage layer, depending on which material it consists of. For the purposes of the present invention, the insulating layer is impermeable to certain substances or fluids or has a function shielding against certain influences on. As a result, the release of heat from the container according to the invention is reduced to the environment and thus reduces the total heat loss. Furthermore, for the purposes of the present invention, heat can be released from one intermediate space to another intermediate space via the heat transfer layer through the heat transfer layer. The storage layer may have the function of a latent heat storage, which thermal energy hidden, loss, with many repetition cycles and can store for a long time. The layers may be made of different materials, whereby the functions of the individual layers may be different. In the present invention, it is particularly preferred if the inner layer is an insulating layer or an insulating layer which additionally has a storage layer. However, this storage layer is applied only on the side of the inner layer facing the high-temperature fuel cells. The outer layer and the third and fourth layers are each insulating layers. For the purposes of the present invention, all layers may be multi-layered, but in particular the fourth layer is multi-layered and has an insulating layer and a further layer which is completely impermeable to any mass flow. The advantage of this structure is thus that the container according to the invention is shielded from the environment, which on the one hand very little heat is released to the outside, whereby the heat loss is reduced overall and on the other hand, the container to the outside is cold, whereby the risk of burning for User was almost eliminated. Furthermore, the heat loss is reduced by the internal recycling of the heat. According to the invention, the interspace is defined as the area which is formed between two layers or adjacent layers arranged one above the other or bounded by these layers. For the purposes of the present invention, two layers arranged one above another form a gap, wherein according to the invention at least one of these intermediate spaces is permeable to fluids. For the purposes of the present invention, fluids are gases or liquids. Furthermore, cables can be picked up at intervals or passed through the layers. Thus, the structure of the container according to the invention is overall compact and reduces the size.

Besonders bevorzugt ist ein erfindungsgemäßes Behältnis 1, bei dem im Innenraum eine zusätzliche Schicht angeordnet ist, wobei diese Schicht eine druckstabile Schicht 3e ist.Particularly preferred is a container 1 according to the invention, in which an additional layer is arranged in the interior, this layer being a pressure-stable layer 3e.

Die druckstabile Schicht kann im Sinne der vorliegenden Erfindung eine hybridartig aufgebaute Schicht sein. Im Sinne der vorliegenden Erfindung sind zwei unterschiedliche Ausgestaltungen der druckstabilen Schicht möglich, die sich auf Grund ihrer Anordnung innerhalb des Behältnisses unterscheiden können. Dabei ist insbesondere eine druckstabile Schicht bevorzugt, welche über der dritten Schicht angeordnet ist und diese vollständig umhüllt sowie direkt an der äußeren Schicht angeordnet ist. Direkt bedeutet erfindungsgemäß, dass zwischen der druckstabilen Schicht und der äußeren Schicht kein Zwischenraum ausgebildet ist. Diese Ausgestaltung der druckstabilen Schicht ist kühl und weist die Funktion einer Wärmeisolierung auf. Die zweite Ausgestaltung der druckstabilen Schicht ist zwischen der inneren Schicht und einem Mittelvolumen ausgebildet. Diese Ausgestaltung der druckstabilen Schicht ist heiß und weist die Funktion einer Wärmedurchgangsschicht auf.The pressure-stable layer may be a hybrid-like layer in the sense of the present invention. For the purposes of the present invention, two different configurations of the pressure-stable layer are possible, which may differ due to their arrangement within the container. In this case, in particular a pressure-stable layer is preferred, which is arranged over the third layer and this completely enveloped and arranged directly on the outer layer. Direct according to the invention means that no gap is formed between the pressure-stable layer and the outer layer. This embodiment of the pressure-stable layer is cool and has the function of thermal insulation. The second embodiment of the pressure-stable layer is formed between the inner layer and a central volume. This embodiment of the pressure-stable layer is hot and has the function of a heat transfer layer.

Vorteilhaft an dieser Ausführungsform ist, dass der Druck im erfindungsgemäßen Behältnis nur von dem Druckverhältnis eines Verdichters, mit dem das Behältnis gekoppelt ist, abhängig ist und nur die druckstabile Schicht den Druck aufnehmen muss.An advantage of this embodiment is that the pressure in the container according to the invention depends only on the pressure ratio of a compressor with which the container is coupled, and only the pressure-stable layer must absorb the pressure.

Insbesondere bevorzugt ist ein erfindungsgemäßes Behältnis 1, bei dem die innere Schicht 3b zumindest zweiteilig aufgebaut ist, wobei der Teil der Schicht, welcher den Hochtemperaturbrennstoffzellen 2 zugewandt ist, eine Speicherschicht ist.Particularly preferred is a container 1 according to the invention, in which the inner layer 3b is constructed in at least two parts, wherein the part of the layer which faces the high-temperature fuel cells 2 is a storage layer.

Bevorzugt ist ein erfindungsgemäßes Behältnis 1, welches im Wesentlichen eine kugelartige, kubusartige oder vieleckartige Form aufweist.A container 1 according to the invention which has a substantially spherical, cube-like or polygonal shape is preferred.

Erfindungsgemäß bevorzugt ist dabei, dass die Kugel, der Kubus oder das Vieleck gegebenenfalls entlang mindestens einer seiner Rotationsachsen gestreckt und/oder verzerrt ist.It is preferred according to the invention for the ball, the cube or the polygon to be optionally stretched and / or distorted along at least one of its axes of rotation.

Besonders bevorzugt ist dabei weiterhin, dass das Behältnis 1 rotationssymmetrisch ist.It is furthermore particularly preferred that the container 1 is rotationally symmetrical.

Weiterhin ist ein erfindungsgemäßes Behältnis 1 bevorzugt, wobei die innere Schicht 3b eine torusartige Form aufweist und ein Mittelvolumen 5 ausbildet, welches konisch, zylindrisch oder hyperbolisch ausgebildet ist.Furthermore, a container 1 according to the invention is preferred, wherein the inner layer 3b has a toroidal shape and forms a central volume 5, which is conical, cylindrical or hyperbolic.

Ein Torus ist nach allgemeiner mathematischer Definition ein topologisches Produkt zweier Kreise. Die Kreise werden derart miteinander verbunden, dass sie eine wulstartig geformte Fläche mit einem Loch ausbilden. Ein Längsschnitt durch einen solchen Torus zeigt in der bildhaften Darstellung zwei Kreise symmetrisch zur Achse (rotationssymmetrischer Kreisring).A torus is, according to general mathematical definition, a topological product of two circles. The circles are connected together to form a bead-shaped surface with a hole. A longitudinal section through such a torus in the pictorial representation shows two circles symmetrical to the axis (rotationally symmetric circular ring).

In der vorliegenden Erfindung ist es jedoch auch möglich, dass der Torus entlang seiner Rotationsachse gestreckt ist. In diesem Fall besteht der Torus aus zwei zylinderartigen Rohren (mit unterschiedlichem Radius), die oben und unten jeweils ein stereometrisches Element (Bsp. Halbkreiskappe oder Halbkreissegmente) aufweisen. In einem anderen Fall kann die eine oder die andere oder beide zylindrische Rohrgeometrien dieses Toruses auch eine abschnittsweise variable Geometrie (Bsp. Kegelgeometrie oder hyperbolische Geometrie) besitzen, welche sich in eine Richtung hin verjüngt. Auch in diesem Fall weist der Querschnitt an der der Ober- und Unterseite des Kegels jeweils ein stereometrisches Element (Bsp. Halbkreiskappe oder Halbkreissegment) auf.However, in the present invention, it is also possible that the torus is stretched along its axis of rotation. In this case, there is the Torus of two cylinder-like tubes (with different radius), each having a stereometric element (eg half-circle cap or semicircle segments) at the top and bottom. In another case, one or the other or both cylindrical tube geometries of this Toruses also have a partially variable geometry (eg, cone geometry or hyperbolic geometry), which tapers in one direction. Also in this case, the cross-section at the top and bottom of the cone each have a stereometric element (eg, half-circle cap or semicircle segment).

Weiterhin kann der Torus auch entlang seiner Rotationsachse gestreckt und verzerrt sein. In diesem Fall zeigt ein Querschnitt durch den Torus einen schiefen Kegel, mit den entsprechenden stereometrischen Elementen an der Ober-und Unterseite des Kegels.Furthermore, the torus can also be stretched and distorted along its axis of rotation. In this case, a cross section through the torus shows an oblique cone, with the corresponding stereometric elements on the top and bottom of the cone.

Bevorzugt ist ferner ein erfindungsgemäßes Behältnis 1, wobei die Hochtemperaturbrennstoffzellen 2 planar, tubulär, monolithisch oder eine Kombination der planaren und tubulären Bauweise sind.Also preferred is a container 1 according to the invention, wherein the high-temperature fuel cells 2 are planar, tubular, monolithic or a combination of the planar and tubular construction.

Vorteilhaft an der Verwendung von Hochtemperaturbrennstoffzellen, welche planar sind, ist, dass diese in der Lage sind, eine sehr hohe volumetrische Leistungsdichte zu erreichen. Des Weiteren können planare Hochtemperaturbrennstoffzellen durch die Verwendung von preiswerten Fertigungstechniken in Masse produziert werden, wodurch sich die Herstellungskosten insgesamt verringern. Auch die Verwendung von Hochtemperatrubrennstoffzellen, welche monolithisch sind, ist vorteilhaft, da diese Hochtemperaturbrennstoffzellen ohne eine Stützstruktur auskommen und Leistungsdichten von 8000W/kg ermöglichen.An advantage of using high temperature fuel cells which are planar is that they are capable of achieving very high volumetric power density. Furthermore, planar high temperature fuel cells can be mass produced by the use of low cost manufacturing techniques, thereby reducing overall manufacturing costs. Also, the use of high temperature fuel cells, which are monolithic, is advantageous because these high temperature fuel cells can do without a support structure and allow power densities of 8000W / kg.

Besonders bevorzugt ist dabei, dass die Hochtemperaturbrennstoffzellen 2, welche planar sind, als Hochtemperaturbrennstoffzellenstapel ausgebildet sind. Im Sinne der vorliegenden Erfindung können die Hochtemperaturbrennstoffzellenstapel auch als Trauben zusammengefasst werden.It is particularly preferred that the high-temperature fuel cells 2, which are planar, are formed as a high-temperature fuel cell stack. For the purposes of the present invention, the high-temperature fuel cell stacks can also be summarized as grapes.

Erfindungsgemäß bevorzugt ist ferner ein Behältnis 1, wobei die jeweiligen Schichten 3 aus hochwarmfesten metallischen Materialien, Metall, Legierungen, Stahl, Kunststoff, Keramik, Schaumstoff, deren Kombinationen oder Verbundwerkstoffen bestehen.Also preferred according to the invention is a container 1, wherein the respective layers 3 consist of highly heat-resistant metallic materials, metal, alloys, steel, plastic, ceramic, foam, their combinations or composite materials.

Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist die Wahl des Materials von der jeweiligen Funktion der Schicht abhängig, nämlich ob die Schicht die Funktion einer Isolierschicht, einer Wärmedurchgangsschicht, einer Speicherschicht oder einer druckstabilen Schicht aufweisen soll. Weiterhin kann im Sinne der vorliegenden Erfindung die Schicht hybridartig aufgebaut sein. Insbesondere vorteilhaft ist es, wenn die Schichten aus unterschiedlichen Materialien bestehen und somit unterschiedliche Funktionen übernehmen können. Keramik kann beispielsweise als Material für eine Isolierschicht dienen, wohingegen gekapselte Salze oder gekapseltes flüssiges Metall insbesondere als Materialien für eine Speicherschicht geeignet sind und legierter Stahl generell als Material für Wärmedurchgangsschichten geeignet ist.For the purposes of the present invention, the choice of material depends on the particular function of the layer, namely whether the layer should have the function of an insulating layer, a heat transfer layer, a storage layer or a pressure-stable layer. Furthermore, in the context of the present invention, the layer can be constructed hybrid-like. It is particularly advantageous if the layers consist of different materials and can thus assume different functions. For example, ceramic may serve as a material for an insulating layer, whereas encapsulated salts or encapsulated liquid metal are particularly suitable as materials for a storage layer and alloyed steel is generally suitable as a material for heat transfer layers.

Bevorzugt ist dabei insbesondere, dass die jeweiligen Schichten 3 aus unterschiedlichen Materialien bestehen, welche unterschiedliche Wärmedurchgangswerte aufweisen.In this case, it is particularly preferred that the respective layers 3 consist of different materials which have different heat transfer values.

Der Wärmedurchgangswert ist ein Maß für den Wärmedurchgang durch einen festen Körper (etwa eine Wand) von einem Fluid in ein zweites Fluid aufgrund eines Temperaturunterschiedes zwischen den Fluiden. Im Fall einer ebenen Wand gibt er den Wärmestrom (Wärmeenergie pro Zeit) je Fläche der Wand und je Kelvin Temperaturunterschied der beiden Fluide an (W/(m²·K)). Der Wärmedurchgangswert ist abhängig von den Wärmeübergangswerten zwischen dem festen Körper und den Fluiden sowie der Wärmeleitfähigkeit und Geometrie des festen Körpers. Der Wärmedurchgangswert ist ein spezifischer Wert eines Bauteils und wird im Wesentlichen durch die Wärmeleitfähigkeit und Dicke der verwendeten Materialien bestimmt, aber auch durch die Wärmestrahlung und Konvektion an den Oberflächen. Je höher der Wärmedurchgangswert, desto schlechter ist die Wärmedämmung des Körpers und demnach ist die Wärmedämmeigenschaft umso besser, je niedriger der Wärmedurchgangswert ist.The heat transfer value is a measure of the heat transfer through a solid body (such as a wall) from a fluid to a second fluid due to a temperature difference between the fluids. In the case of a flat wall, it gives the heat flow (heat energy per time) per area of the wall and per Kelvin temperature difference of the two fluids (W / (m ² · K)). The heat transfer value is dependent on the heat transfer values between the solid body and the fluids as well as the thermal conductivity and geometry of the solid body. The heat transfer value is a specific value of a component and is essentially determined by the thermal conductivity and thickness of the materials used, but also by the heat radiation and convection at the surfaces. The higher the heat transfer value, the worse the heat insulation of the body and therefore the lower the heat transfer value, the better the thermal insulation property.

Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist es insbesondere vorteilhaft, wenn die Schichten aus Material bestehen, welches einen niedrigen Wärmedurchgangswert aufweist. Lediglich die druckstabile Schicht, welche zwischen der inneren Schicht und dem Mittelvolumen angeordnet ist, weist erfindungsgemäß einen hohen Wärmedurchgangswert auf. Vorteilhaft bei einem solchen zwiebelartigen Aufbau ist, dass dadurch weniger Wärme an die Umgebung abgegeben wird und zusätzlich durch die Teilrückführung der Wärme auf Grund der gezielten Führung von Fluiden in den Innenraum, der Wärmeverlust reduziert wird. Weiterhin vorteilhaft ist, dass Leckages zulässig sind, weil der Massenstrom, auf Grund des Aufbaus des erfindungsgemäßen Behältnisses, immer nach Innen erfolgt.For the purposes of the present invention, it is particularly advantageous if the layers consist of material which has a low heat transfer value. Only the pressure-stable layer, which is arranged between the inner layer and the central volume, according to the invention has a high heat transfer value. An advantage of such an onion-like structure is that less heat is dissipated to the environment and, in addition, the partial return of the heat due to the targeted guidance of fluids into the interior, the heat loss is reduced. It is furthermore advantageous that leakages are permissible because the mass flow, due to the structure of the container according to the invention, always takes place inward.

Weiterhin ist ein erfindungsgemäßes Behältnis 1 bevorzugt, wobei Fluide Betriebsmedien, Kühlmedien, Wärmemedien, Wärmespeichermedien, oder Brennstoffe sind.Furthermore, a container 1 according to the invention is preferred, wherein fluids are operating media, cooling media, heat media, heat storage media, or fuels.

Im Sinne der vorliegenden Erfindung sind Kühlmedien oder Wärmemedien Medien, welche zum Abtransport von Wärme eingesetzt werden. Hierbei können Kühlmedien oder Wärmemedien in einem Kühlzyklus bzw. Heizzyklus die Enthalpie entlang des Temperaturgradienten zu einer Stelle niedrigerer bzw. höherer Temperatur transportieren. Insbesondere Wasser, Luft, Thermalöle, Luft-Wasser-Mischungen oder Brennstoff können als Kühlmedien bzw. Wärmemedien verwendet werden. Im Sinne der vorliegenden Erfindung können Kühlmedien bzw. Wärmemedien auch als Wärmeübertragungsmedien bezeichnet werden. Kühlmedien und Wärmemedien unterscheiden sich anhand des Temperaturbereichs in dem sie verwendet werden. Wärmespeichermedien sind Medien zur Speicherung von thermischer Energie. Als Wärmespeichermedien dienen insbesondere Wasser, Wasser-dampf, Salze oder Metalle. Ein Brennstoff ist ein chemischer Stoff, dessen gespeicherte Energie sich durch chemische Reaktion in nutzbare Energie umwandeln lässt. Brennstoffe werden nach verschiedenen Kriterien unterteilt, etwa nach ihrem Aggregatzustand in feste, flüssige und gasförmige Brennstoffe. Je nach Herkunft wird differenziert zwischen natürlichen, veredelten oder synthetischen Brennstoffen. For the purposes of the present invention, cooling media or heat media are media which are used to remove heat. In this case, cooling media or heat media can transport the enthalpy along the temperature gradient to a location of lower or higher temperature in a cooling cycle or heating cycle. In particular, water, air, thermal oils, air-water mixtures or fuel can be used as cooling media or heat media. For the purposes of the present invention, cooling media or heat media may also be referred to as heat transfer media. Cooling media and heat media differ based on the temperature range in which they are used. Heat storage media are media for storing thermal energy. As a heat storage media serve in particular water, water vapor, salts or metals. A fuel is a chemical substance whose stored energy can be converted into usable energy by a chemical reaction. Fuels are subdivided according to various criteria, such as their state of aggregation into solid, liquid and gaseous fuels. Depending on the origin, a distinction is made between natural, refined or synthetic fuels.

Ferner ist ein erfindungsgemäßes Behältnis 1 bevorzugt, welches einen ersten Zwischenraum 4a zwischen der inneren Schicht 3b und der dritten Schicht 3c, einen zweiten Zwischenraum 4b zwischen der dritten Schicht 3c und vierten Schicht 3d und einen dritten Zwischenraum 4c zwischen der vierten Schicht 3d und äußeren Schicht 3a aufweist.Furthermore, a container 1 according to the invention is preferred which has a first gap 4a between the inner layer 3b and the third layer 3c, a second gap 4b between the third layer 3c and fourth layer 3d and a third gap 4c between the fourth layer 3d and the outer layer 3a.

Bevorzugt ist dabei insbesondere, dass die jeweiligen Zwischenräume 4 von unterschiedlichen Fluiden durchdringbar sind.In this case, it is particularly preferred that the respective intermediate spaces 4 of different fluids are penetrable.

Weiterhin ist ein erfindungsgemäßes Behältnis 1 bevorzugt, wobei Abgas vom Mittelvolumen 5 kommend im Wärmetausch-Rekuperator Wärme abgibt. Furthermore, a container 1 according to the invention is preferred, wherein exhaust gas emits heat from the central volume 5 coming in the heat exchange recuperator.

Bevorzugt ist außerdem ein erfindungsgemäßes Behältnis 1, wobei das Mittelvolumen 5 mit einem Ausgang einer Turbine 7 gekoppelt ist.Also preferred is a container 1 according to the invention, wherein the central volume 5 is coupled to an output of a turbine 7.

Ferner ist ein erfindungsgemäßes Behältnis 1 bevorzugt, wobei zumindest ein Zwischenraum 4 mit einem Verdichter 8 gekoppelt ist.Furthermore, a container 1 according to the invention is preferred, wherein at least one intermediate space 4 is coupled to a compressor 8.

Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist insbesondere der zweite Zwischenraum mit einem Verdichter gekoppelt.For the purposes of the present invention, in particular the second intermediate space is coupled to a compressor.

Insbesondere bevorzugt ist ein erfindungsgemäßes Behältnis 1, wobei der erste Zwischenraum 4a und der zweite Zwischenraum 4b über einen Wärmetausch-Rekuperator 6 miteinander gekoppelt sind.Particularly preferred is a container 1 according to the invention, wherein the first intermediate space 4a and the second intermediate space 4b are coupled to one another via a heat exchange recuperator 6.

Bevorzugt ist weiterhin ein erfindungsgemäßes Behältnis 1, wobei zumindest ein Zwischenraum 4 und der Raum, in dem sich die Hochtemperaturbrennstoffzellen 2 befinden, über einen zweiten Wärmetauscher 9 miteinander gekoppelt sind.Furthermore, a container 1 according to the invention is preferred, wherein at least one intermediate space 4 and the space in which the high-temperature fuel cells 2 are located are coupled to one another via a second heat exchanger 9.

Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist insbesondere der erste Zwischenraum mit einem zweiten Wärmetauscher gekoppelt.For the purposes of the present invention, in particular the first intermediate space is coupled to a second heat exchanger.

Weiterhin ist ein erfindungsgemäßes Behältnis 1 bevorzugt, wobei zumindest ein Zwischenraum 4 mit einem Dampfgenerator 10 gekoppelt ist.Furthermore, a container 1 according to the invention is preferred, wherein at least one intermediate space 4 is coupled to a steam generator 10.

Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist insbesondere der dritte Zwischenraum mit einem Dampfgenerator gekoppelt.For the purposes of the present invention, in particular the third intermediate space is coupled to a steam generator.

Die vorliegende Erfindung wird mit den beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

1 eine Schnittansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Behältnisses;
2 eine Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Behältnisses;
3 eine Schnittansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Behältnisses in Form einer hybriden Mikrogasturbinen(MGT)-Brennstoffzellen-(FC)-Anlage;
4 die Ausführungsform der 3 mit Fluidströmen innerhalb des erfindungsgemäßen Behältnisses;
5 eine Schnittansicht der Ausführungsform der 3 mit vergrößerten Ansichten, welche die Fluidströme im Behältnis zeigen;
6 eine Schnittansicht der Ausführungsform der 3 mit vergrößerten Ansichten, welche die Wärmeflüsse im Behältnis zeigen;
7a einen vergrößerten Ausschnitt des oberen Bereichs eines erfindungsgemäßen Behältnisses;
7b einen vergrößerten Ausschnitt des unteren Bereichs eines erfindungsgemäßen Behältnisses;
8 eine Prinzipskizze eines Wärmeschaltbildes eines erfindungsgemäßen Behältnisses in Form einer hybriden Mikrogasturbinen-Brennstoffzellen-Anlage.

The present invention will be explained in more detail with the accompanying drawings. It shows:

1 a sectional view of a first embodiment of a container according to the invention;
2 a sectional view of a second embodiment of a container according to the invention;
3 a sectional view of an embodiment of a container according to the invention in the form of a hybrid micro gas turbine (MGT) fuel cell (FC) plant;
4 the embodiment of the 3 with fluid flows within the container according to the invention;
5 a sectional view of the embodiment of the 3 with enlarged views showing the fluid flows in the container;
6 a sectional view of the embodiment of the 3 with enlarged views showing the heat flows in the container;
7a an enlarged section of the upper portion of a container according to the invention;
7b an enlarged section of the lower portion of a container according to the invention;
8th a schematic diagram of a thermal circuit diagram of a container according to the invention in the form of a hybrid micro gas turbine fuel cell system.

In 1 wird eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Behältnisses 1 gezeigt. Das erfindungsgemäße Behältnis 1 ist zwiebelartig aufgebaut und wird durch eine äußere Schicht 3a gebildet. Insbesondere bevorzugt ist eine äußere Schicht 3a, die eine Isolierschicht ist. Im Innenraum des Behältnisses 1 sind Hochtemperaturbrennstoffzellen 2 angeordnet, die entweder planar, tubulär, monolithisch oder eine Kombination der planaren und tubulären Bauweise sind. In der vorliegenden Ausführungsform ist beispielhaft nur eine Hochtemperaturbrennstoffzelle 2 gezeigt, es ist jedoch im Sinne der vorliegenden Erfindung bevorzugt, dass mehrere Hochtemperaturbrennstoffzellen 2 im Innenraum des Behältnisses 1 angeordnet sind. Weiterhin ist bevorzugt, dass die Hochtemperaturbrennstoffzellen 2 in Stapeln angeordnet sind, insbesondere wenn die Hochtemperaturbrennstoffzellen 2 planar sind. Die Hochtemperaturbrennstoffzelle 2 wird durch eine innere Schicht 3b vollständig umhüllt. Über der inneren Schicht 3b ist in dieser Ausführungsform eine dritte Schicht 3c angeordnet, welche die innere Schicht 3b vollständig umhüllt. Zwischen der inneren Schicht 3b und der dritten Schicht 3c ist ein erster Zwischenraum 4a ausgebildet. Über der dritten Schicht 3c ist eine vierte Schicht 3d angeordnet, welche die dritte Schicht 3c vollständig umhüllt, wobei zwischen der dritten Schicht 3c und der vierten Schicht 3d ein zweiter Zwischenraum 4b ausgebildet ist. Die vierte Schicht 3d ist außerdem von der äußeren Schicht 3a, welche über der vierten Schicht 3d angeordnet ist, vollständig umhüllt. Zwischen der vierten Schicht 3d und der äußeren Schicht 3a ist ein dritter Zwischenraum 4c ausgebildet. Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist es besonders bevorzugt, dass die Schichten 3 aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Insbesondere bevorzugt ist, dass die innere Schicht 3b, die dritte Schicht 3c und die vierte Schicht 3d aus einem anderen Material bestehen als die äußere Schicht 3a. Außerdem ist erfindungsgemäß zumindest ein Zwischenraum 4 mit Fluiden durchdringbar, wobei auch Kabel in zumindest einem der Zwischenräume 4 aufgenommen werden können oder durch die Schichten 3 geführt werden können. In der 1 ist weiterhin gezeigt, dass das erfindungsgemäße Behältnis 1 im oberen Bereich mit einem Wärmetausch-Rekuperator 6 und im unteren Bereich mit einem Turbosatz 12 (Turbine 7, Verdichter 8, Generator 11) in Kontakt steht.In 1 is an embodiment of the container according to the invention 1 shown. The container according to the invention 1 is onion-like and is formed by an outer layer 3a educated. Particularly preferred is an outer layer 3a which is an insulating layer. In the interior of the container 1 are high-temperature fuel cells 2 which are either planar, tubular, monolithic or a combination of planar and tubular construction. In the present embodiment, by way of example only, a high-temperature fuel cell 2 However, it is preferred for the purposes of the present invention that several high-temperature fuel cells 2 in the interior of the container 1 are arranged. Furthermore, it is preferred that the high-temperature fuel cells 2 are arranged in stacks, especially when the high-temperature fuel cells 2 are planar. The high temperature fuel cell 2 is through an inner layer 3b completely wrapped. Over the inner layer 3b is a third layer in this embodiment 3c arranged, which the inner layer 3b completely wrapped. Between the inner layer 3b and the third layer 3c is a first gap 4a educated. Over the third layer 3c is a fourth shift 3d arranged, which is the third layer 3c completely enveloped, being between the third layer 3c and the fourth layer 3d a second space 4b is trained. The fourth shift 3d is also from the outer layer 3a which over the fourth layer 3d is arranged, completely enveloped. Between the fourth shift 3d and the outer layer 3a is a third space 4c educated. For the purposes of the present invention, it is particularly preferred that the layers 3 made of different materials. It is particularly preferred that the inner layer 3b , the third layer 3c and the fourth layer 3d made of a different material than the outer layer 3a , In addition, according to the invention at least one gap 4 permeable with fluids, including cables in at least one of the interstices 4 can be absorbed or through the layers 3 can be performed. In the 1 is further shown that the container according to the invention 1 in the upper area with a heat exchange recuperator 6 and at the bottom with a turbo set 12 (Turbine 7 , Compressor 8th , Generator 11 ) is in contact.

In der 2 ist eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Behältnisses 1 gezeigt. Auch diese Ausführungsform weist einen zwiebelartigen Aufbau auf, wie er in der 1 gezeigt ist. Im Unterschied zu der in 1 gezeigten Ausführungsform, weist die innere Schicht 3b eine torusartige Form auf, wodurch in dem Behältnis 1 ein Mittelvolumen 5 ausgebildet ist. Durch die torusartige Form der inneren Schicht 3b entsteht ein ringförmiger Raum, in dem Hochtemperaturbrennstoffzellen 2 aufgenommen sind. Vorliegend ist beispielhaft eine Hochtemperaturbrennstoffzelle 2 gezeigt, jedoch sind die Hochtemperaturbrennstoffzellen 2, welche planar sind, vorzugsweise in Stapeln angeordnet. Für hybride Mikrogasturbinen-Brennstoffzellen-Systeme bietet sich insbesondere bei kleineren Anlagen diese torusartige Bauform an, da in diesem Fall die Abgasführung sinnvollerweise zentral erfolgt. Dies hat den Vorteil, dass das Behältnis 1 im Zentralbereich dann auch noch die Funktion einer Teilwärmerekuperation übernimmt. Somit wird ein Wärmefluss vom Abgas in die komprimierte Luft geleitet, wodurch der Wärmetausch-Rekuperator 6 kleiner gebaut werden kann und/oder effektiver ist.In the 2 is a second embodiment of the container according to the invention 1 shown. Also, this embodiment has an onion-like structure, as shown in the 1 is shown. Unlike the in 1 shown embodiment, the inner layer 3b a toroidal shape, whereby in the container 1 an average volume 5 is trained. Due to the toroidal shape of the inner layer 3b creates an annular space in which high-temperature fuel cells 2 are included. In the present example is a high-temperature fuel cell 2 however, the high temperature fuel cells are shown 2 , which are planar, preferably arranged in stacks. For hybrid micro gas turbine fuel cell systems, this toroidal design is particularly suitable for smaller plants, since in this case the exhaust system is usefully carried out centrally. This has the advantage that the container 1 in the central area then also the function of a Teilwärmerekuperation takes over. Thus, a heat flow is passed from the exhaust gas into the compressed air, whereby the heat exchange recuperator 6 can be built smaller and / or more effective.

3 zeigt ein erfindungsgemäßes Behältnis 1 in einer torusartigen Bauform, wie es auch in 2 gezeigt ist, in Form einer Mikrogasturbinen(MGT)-Brennstoffzellen-(FC)-Anlage. Das Behältnis 1 wird durch eine äußere Schicht 3a gebildet, welche die Funktion eines „Containments“ übernimmt und somit das Behältnis 1 von der Umgebung abgrenzt. Im Inneren des Behältnisses 1 sind weitere Schichten 3 angeordnet. Durch die torusartige Form der inneren Schicht 3b ist im Inneren des Behältnisses 1 ein Mittelvolumen 5 ausgebildet und es ist eine rotationsförmige Kammer für die Aufnahme von Hochtemperaturbrennstoffzellen 2 ausgebildet. Durch das Mittelvolumen 5 kann Abgas zentral geleitet werden. In dieser Ausführungsform sind die Hochtemperaturbrennstoffzellen 2 planar und in Stapeln angeordnet. Des Weiteren ist über der inneren Schicht 3b eine dritte Schicht 3c angeordnet, welche die innere Schicht 3b vollständig umhüllt. Zwischen der inneren Schicht 3b und der dritten Schicht 3c ist ein erster Zwischenraum 4a ausgebildet. Weiterhin ist über der dritten Schicht 3c eine vierte Schicht 3d angeordnet, welche die dritte Schicht 3c vollständig umhüllt und zwischen diesen Schichten 3c, 3d ist ein zweiter Zwischenraum 4b ausgebildet. Die vierte Schicht 3d wird von der äußeren Schicht 3a vollständig umhüllt und zwischen den Schichten 3d, 3a ist ein dritter Zwischenraum 4c ausgebildet. In der Ausführungsform ist außerdem gezeigt, dass oberhalb des Behältnisses 1 ein Wärmetausch-Rekuperator 6 angeordnet ist. Das über das Mittelvolumen 5 kommende Abgas gibt Wärme an die vom Verdichter 8 kommende komprimierte Luft im Wärmetausch-Rekuperator 6 ab. Außerdem ist in 3 gezeigt, dass das Mittelvolumen 5 mit einem Ausgang einer Turbine 7 gekoppelt ist sowie zumindest der zweite Zwischenraum 4b mit einem Verdichter 8 gekoppelt ist. Weiterhin ist in dieser Ausführungsform gezeigt, dass der erste Zwischenraum 4a und der zweite Zwischenraum 4b über einen Wärmetausch-Rekuperator 6 miteinander gekoppelt sind. Außerdem sind über einen zweiten Wärmetauscher 9 zumindest der erste Zwischenraum 4a und die Hochtemperaturbrennstoffzellen 2 miteinander gekoppelt. In der 3 ist weiterhin gezeigt, dass zumindest der dritte Zwischenraum 4c mit einem Dampfgenerator 10 gekoppelt ist. 3 shows a container according to the invention 1 in a toroidal design, as is the case in 2 in the form of a micro gas turbine (MGT) fuel cell (FC) plant. The container 1 is through an outer layer 3a formed, which takes over the function of a "containment" and thus the container 1 demarcated from the environment. Inside the container 1 are more layers 3 arranged. Due to the toroidal shape of the inner layer 3b is inside the container 1 an average volume 5 formed and it is a rotary-shaped chamber for receiving high temperature fuel cells 2 educated. By the mean volume 5 exhaust gas can be routed centrally. In this embodiment, the high temperature fuel cells are 2 planar and arranged in stacks. Furthermore, over the inner layer 3b a third layer 3c arranged, which the inner layer 3b completely wrapped. Between the inner layer 3b and the third layer 3c is a first gap 4a educated. Furthermore, over the third layer 3c a fourth layer 3d arranged, which is the third layer 3c completely enveloped and between these layers 3c . 3d is a second space 4b educated. The fourth shift 3d is from the outer layer 3a completely enveloped and between layers 3d . 3a is a third space 4c educated. In the embodiment it is also shown that above the container 1 a heat exchange recuperator 6 is arranged. That about the median volume 5 incoming exhaust gas gives heat to the compressor 8th Coming compressed air in the heat exchanger recuperator 6 from. It is also in 3 shown that the median volume 5 with an outlet of a turbine 7 is coupled and at least the second space 4b with a compressor 8th is coupled. Furthermore, in this embodiment, it is shown that the first gap 4a and the second space 4b via a heat exchange recuperator 6 coupled together. There are also a second heat exchanger 9 at least the first space 4a and the high temperature fuel cells 2 coupled together. In the 3 is further shown that at least the third space 4c with a steam generator 10 is coupled.

Auf Grund des Aufbaus des erfindungsgemäßen Behältnisses kann das Behältnis dünnwandiger sein und aus einem kostengünstigeren Material gefertigt werden. Hierdurch wird auch die Wärmekapazität günstig beeinflusst. Durch die radiale Integration der prozessbedingten Schichten können diese sehr dünnwandig ausgeführt werden (teilweise nur mit hochtemperaturbeständigen metallischen Materialien wie z. Bsp. Blechfolie, Keramik oder ähnlich überzogener Isolierung), da keine großen Druckdifferenzen wirken. Weiterhin dürfen diese im Fall der Prozessluftführung auch kleinere Leckagen besitzen, da durch die geringe Druckdifferenz nur verhältnismäßig geringe Massenstromanteile, vorteilhafterweise in Richtung der Hochtemperaturbrennstoffzellen fließen. Durch die drastische Reduktion der Wärmekapazität des Systems (im Vergleich zu herkömmlichen Bauweisen, bei denen alle Komponenten über Rohre miteinander verbunden sind) wird das Zeitverhalten (Aufheizvorgang, Laständerung etc.) günstig beeinflusst.Due to the structure of the container according to the invention, the container can be thinner walled and made of a less expensive material. As a result, the heat capacity is also favorably influenced. By the radial Integration of the process-related layers, these can be made very thin-walled (sometimes only with high-temperature resistant metallic materials such as sheet metal foil, ceramic or similar coated insulation), since no large pressure differences act. Furthermore, these may also have smaller leaks in the case of the process air duct, since due to the low pressure difference only relatively small mass flow rates, advantageously flow in the direction of the high-temperature fuel cells. Due to the drastic reduction of the heat capacity of the system (compared to conventional construction methods, in which all components are connected to each other via pipes), the time behavior (heating process, load change, etc.) is favorably influenced.

In 4 wird die Ausführungsform der 3 gezeigt, wobei in der 4 die Fluidströme innerhalb des erfindungsgemäßen Behältnisses 1 sowie im Zusammenspiel mit einzelnen Komponenten innerhalb einer Mikrogasturbinen-Brennstoffzellen-Anlage dargestellt sind. Die Luft wird von einem Verdichter 8 angesaugt und komprimiert (durch die Komponentendruckverluste etwas höher als der Betriebsdruck der Hochtemperaturbrennstoffzelle 2). Die komprimierte Luft fließt über den zweiten Zwischenraum 4b des mehrschichtigen Behältnisses 1 zum Wärmetausch-Rekuperator 6 und vom Wärmetausch-Rekuperator 6 zurück durch den ersten Zwischenraum 4a des mehrschichtigen Behältnisses 1 in einen zweiten Wärmetauscher 9, welcher teilweise Wärme aus der Nachverbrennung und dem Rückfluss der Hochtemperaturbrennstoffzellen 2 (hier nicht dargestellt) bezieht. Die Wärme aus der Nachverbrennung ist erforderlich, da in den meisten Betriebspunkten die Abgaswärme hinter der Turbine 7 zur Vorwärmung der Luft im Wärmetausch-Rekuperator 6, auf die Betriebstemperatur der Hochtemperaturbrennstoffzellen 2 und die Turbineneintrittstemperatur, nicht ausreicht.In 4 the embodiment of the 3 being shown in the 4 the fluid flows within the container according to the invention 1 as well as in interaction with individual components within a micro gas turbine fuel cell system are shown. The air is from a compressor 8th sucked and compressed (by the component pressure losses slightly higher than the operating pressure of the high-temperature fuel cell 2 ). The compressed air flows over the second space 4b of the multi-layered container 1 to the heat exchange recuperator 6 and the heat exchange recuperator 6 back through the first space 4a of the multi-layered container 1 in a second heat exchanger 9 , which partially heat from the post-combustion and the reflux of the high-temperature fuel cells 2 (not shown here) relates. The heat from the post-combustion is required because in most operating points the exhaust heat behind the turbine 7 for preheating the air in the heat exchange recuperator 6 , to the operating temperature of the high-temperature fuel cells 2 and the turbine inlet temperature is insufficient.

Es sei aber angemerkt, dass das Prozesswasser im Fallbeispiel des Steam-Reformingprozesses (bei dem Konzept eines überlagerten Wasser-Dampf-Kreislaufes) über den dritten Zwischenraum 4c des Behältnisses 1 geführt wird, um „Restverlustwärme einzufangen“ und um die Temperatur sehr gering zu halten, wodurch die Verwendung von Kunststoff als Material für die äußere Schicht 3a möglich ist. Das Wasser wird mit einer Pumpe (nicht gezeigt) auf einen Druck über den Betriebsdruck gebracht, über den dritten Zwischenraum 4c vorgewärmt und in einem Dampfgenerator 10 mit Hilfe der Abgaswärme verdampft, anschließend überhitzt und dem Brenngasstrom für den Dampfreformierungprozess zugeführt. Hierbei wird durch die endotherme Reaktion Wärme entzogen (Reformer nicht dargestellt).It should be noted that the process water in the case of the steam reforming process (in the concept of a superimposed water-steam cycle) on the third space 4c of the container 1 to capture "residual heat loss" and to keep the temperature very low, thereby reducing the use of plastic as a material for the outer layer 3a is possible. The water is brought to a pressure above the operating pressure with a pump (not shown), over the third space 4c preheated and in a steam generator 10 vaporized using the exhaust heat, then superheated and fed to the fuel gas stream for the steam reforming process. In this case, heat is removed by the endothermic reaction (reformer not shown).

Nach der Reaktion in den Hochtemperaturbrennstoffzellen 2, die als Stapel angeordnet sind, fließen die Abgase der Hochtemperaturbrennstoffzellen 2 über den zweiten Wärmetauscher 9 und über die Nachverbrennung zur Turbine 7, wo die Expansion erfolgt. Die Turbine 7, treibt über eine gemeinsame Welle den Generator 11 und den Verdichter 8 an. Das Turbinenabgas gibt Wärmeenergie an die druckstabile Schicht 3e und im Wärmetausch-Rekuperator 6 an die vom Verdichter 8 kommende komprimierte Luft ab.After the reaction in the high-temperature fuel cells 2 arranged as stacks, the exhaust gases of the high-temperature fuel cells flow 2 over the second heat exchanger 9 and about the post-combustion to the turbine 7 where the expansion takes place. The turbine 7 , drives the generator via a common shaft 11 and the compressor 8th at. The turbine exhaust gas gives heat energy to the pressure-stable layer 3e and in the heat exchange recuperator 6 to the compressor 8th coming compressed air.

Das erfindungsgemäße Behältnis 1 bildet durch seine konzentrischen Schichten 3 und Zwischenräume 4 die Hauptversorgungsleitungen des Kreisprozesses. Weiterhin liefert es auch ein kompaktes Containment. Im Falle der Dampfreformierung mit überlagertem Wasser-Dampf-Kreislauf dient der dritte Zwischenraum 4c zur Wasservorwärmung und zur Verminderung von Restwärmeverlusten.The container according to the invention 1 forms through its concentric layers 3 and spaces 4 the main supply lines of the cycle process. Furthermore, it also provides a compact containment. In the case of steam reforming with superimposed water-steam cycle, the third space is used 4c for water preheating and to reduce residual heat losses.

5 zeigt die Fluidstromrichtungen bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Behältnisses 1 wie in 3 bzw. 4 dargestellt. 5 shows the fluid flow directions in one embodiment of the container according to the invention 1 as in 3 respectively. 4 shown.

Der Ausschnitt A zeigt eine vergrößerte Ansicht der Fluidstromrichtungen zwischen der inneren Schicht 3b, über eine dritte Schicht 3c, eine vierte Schicht 3d und eine äußere Schicht 3a. Weiterhin wird deutlich, dass die vierte Schicht 3d in dieser Ausführungsform mehrschichtig aus zwei Schichten aufgebaut ist, wobei eine Schicht eine Isolierschicht darstellt und die zweite Schicht (dünner schwarzer Balken), eine Schicht, welche für Massenströme völlig undurchlässig ist. Diese zweite Schicht bildet die Abgrenzung des dritten Zwischenraumes 3c. In dieser Ausführungsform wird durch den ersten Zwischenraum 4a die Luft, die vom Wärmetausch-Rekuperator 6 in das Behältnis 1 wieder eintritt, geleitet. Im zweiten Zwischenraum 4b wird die komprimierte Luft vom Verdichter 8 zum Wärmetausch-Rekuperator 6 geführt. Im dritten Zwischenraum 4c wird beispielsweise Wasser geführt. In dieser Ausführungsform ist der dritte Zwischenraum 4c hin zur äußeren Schicht 3a von einer druckstabilen Schicht 3e begrenzt, welche direkt an der äußeren Schicht 3a angrenzt.Section A shows an enlarged view of the fluid flow directions between the inner layer 3b , over a third layer 3c , a fourth layer 3d and an outer layer 3a , Furthermore, it becomes clear that the fourth layer 3d in this embodiment, multi-layered is composed of two layers, one layer being an insulating layer and the second layer (thin black bar), a layer which is completely impermeable to mass flows. This second layer forms the boundary of the third space 3c , In this embodiment, through the first space 4a the air coming from the heat exchanger recuperator 6 in the container 1 re-enters, guided. In the second space 4b is the compressed air from the compressor 8th to the heat exchange recuperator 6 guided. In the third space 4c For example, water is guided. In this embodiment, the third space is 4c towards the outer layer 3a from a pressure-stable layer 3e limited, which directly on the outer layer 3a borders.

Der Ausschnitt B zeigt eine vergrößerte Ansicht der Fluidstromrichtungen zwischen der inneren Schicht 3b und dem Mittelvolumen 5 des erfindungsgemäßen Behältnisses, wobei zwischen der inneren Schicht 3b und dem Mittelvolumen 5 eine druckstabile Schicht 3e angeordnet ist. Dadurch ist zwischen der inneren Schicht 3b und der druckstabilen Schicht 3e auch ein erster Zwischenraum 4a ausgebildet, durch den die Luft, welche nach dem Wärmetausch-Rekuperator zurück in das erfindungsgemäße Behältnis 1 eingeleitet wurde, geführt wird. Im Mittelvolumen 5 wird das Abgas von der Turbine 7 geführt. Das Abgas und die Luft verlaufen im Gegenstrom zueinander, wobei das Abgas Wärmeenergie an die Luft, welche vom Wärmetausch-Rekuperator kommt, abgibt.Section B shows an enlarged view of the fluid flow directions between the inner layer 3b and the median volume 5 of the container according to the invention, wherein between the inner layer 3b and the median volume 5 a pressure-stable layer 3e is arranged. This is between the inner layer 3b and the pressure-stable layer 3e also a first gap 4a formed, through which the air, which after the heat exchange recuperator back into the container according to the invention 1 was initiated. In the middle volume 5 is the exhaust gas from the turbine 7 guided. The exhaust gas and the air are in countercurrent to each other, the exhaust heat energy into the air, which comes from the heat exchange recuperator, gives off.

Die Verlustwärmeflüsse werden durch die dargestellten Fluidstromrichtungen wieder zum jeweils „richtigen Kreisprozesszustandspunkt“ zurückgespielt.The waste heat flows are returned to the respective "correct cycle process state point" by the illustrated fluid flow directions.

In 6 wird eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Behältnisses 1 wie in 3 bzw. 4 dargestellt, wobei in dieser Ausführungsform die Wärmeflüsse detailliert gezeigt sind.In 6 is an embodiment of the container according to the invention 1 as in 3 respectively. 4 shown, wherein in this embodiment, the heat flows are shown in detail.

In Ausschnitt A werden die Wärmeflüsse von den Hochtemperaturbrennstoffzellen 2 über die innere Schicht 3b zum ersten Zwischenraum 4a, über die dritte Schicht 3c zum zweiten Zwischenraum 4b, über die vierte Schicht 3d in den dritten Zwischenraum 4c zur äußeren Schicht gezeigt. In dieser Ausführungsform ist der dritte Zwischenraum 4c hin zur äußeren Schicht 3a durch eine druckstabile Schicht 3e begrenzt, welche direkt an der äußeren Schicht 3a anliegt. Weiterhin wird auch in dieser Ausführungsform gezeigt, dass die vierte Schicht 3d mehrschichtig aufgebaut ist und aus einer Isolierschicht und einer Schicht (dünner schwarzer Balken) besteht, welche keine Masseströme durchtreten lässt. Die Pfeile stellen die Abgabe der Wärme dar. Aus dieser Ausführungsform wird deutlich, dass die Wärmeflüsse von innen nach außen erfolgen, nämlich von den Hochtemperaturbrennstoffzellen 2 zu der äußeren Schicht 3a hin, wobei die äußere Schicht 3a nach außen hin sehr wenig Wärme abgibt.In section A, the heat flows from the high-temperature fuel cells 2 over the inner layer 3b to the first space 4a , about the third layer 3c to the second space 4b , about the fourth shift 3d in the third space 4c shown to the outer layer. In this embodiment, the third space is 4c towards the outer layer 3a through a pressure-stable layer 3e limited, which directly on the outer layer 3a is applied. Furthermore, it is also shown in this embodiment that the fourth layer 3d is constructed of several layers and consists of an insulating layer and a layer (thin black bars), which can pass through no mass flows. The arrows represent the release of the heat. From this embodiment it is clear that the heat flows take place from the inside to the outside, namely from the high-temperature fuel cells 2 to the outer layer 3a out, with the outer layer 3a gives off very little heat to the outside.

In Ausschnitt B werden die Wärmeflüsse zwischen den Hochtemperaturbrennstoffzellen 2 und dem Mittelvolumen 5 dargestellt. Das Mittelvolumen ist durch eine druckstabile Schicht 3e begrenzt, welche eine dichte Schicht darstellt und somit völlig undurchlässig für Masseströme ist. Zwischen dieser druckstabilen Schicht 3e und der inneren Schicht 3b ist ein erster Zwischenraum 4a ausgebildet. In diesem Zwischenraum 4a wird die Luft, welche vom Wärmetausch-Rekuperator 6 kommt, geführt. In dieser Ausführungsform wird deutlich dargestellt, dass die Wärme (Pfeil), die von den Hochtemperaturbrennstoffzellen 2 abgegeben wird, lediglich an die innere Schicht 3b abgegeben wird und somit nur geringe Wärmeenergie an den ersten Zwischenraum 4a abgegeben wird, wohingegen die Wärmeenergie des Abgases im Mittelvolumen 5 durch die druckstabile Schicht 3e in den ersten Zwischenraum 4a durchtritt und dort die Luft erwärmt.In section B, the heat flows between the high-temperature fuel cells 2 and the median volume 5 shown. The mean volume is through a pressure-stable layer 3e limited, which represents a dense layer and thus is completely impermeable to mass flows. Between this pressure-stable layer 3e and the inner layer 3b is a first gap 4a educated. In this space 4a is the air coming from the heat exchange recuperator 6 come, guided. In this embodiment, it is clearly shown that the heat (arrow) coming from the high temperature fuel cells 2 is discharged, only to the inner layer 3b is discharged and thus only low heat energy to the first space 4a is discharged, whereas the heat energy of the exhaust gas in the central volume 5 through the pressure-stable layer 3e in the first space 4a passes through and heats the air there.

Die innere Schicht 3b kann somit auch die Funktion einer Speicherschicht (bestehend aus flüssigen Salzen, flüssigen Metallen) als latenter Wärmespeicher übernehmen. Die innere Schicht 3b kann sandwichartig aufgebaut sein.The inner layer 3b can thus also assume the function of a storage layer (consisting of liquid salts, liquid metals) as a latent heat storage. The inner layer 3b can be sandwiched.

7a und 7b zeigen Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Behältnisses 1 wie in 3, wobei jeweils nur Teilbereiche dargestellt sind. In 7a ist nur der Teilbereich dargestellt, der den oberen Teil des Behältnisses 1 zeigt und in 7b ist nur der Teilbereich dargestellt, der den unteren Teil des Behältnisses 1 zeigt. In beiden Figuren wird insbesondere der Außenbereich des Behältnisses 1 gezeigt, an dem vorzugsweise an zwei Stellen Fluidströme ein- und ausgeleitet werden. In 7a werden die Stellen des Behältnisses 1 gezeigt, an denen die Fluidströme aus dem Behältnis 1 in einen Wärmetausch-Rekuperator 6 eintreten und die Stellen, an denen die Fluidströme aus dem Wärmetausch-Rekuperator 6 in das Behältnis 1 eintreten. 7b zeigt die Stellen im unteren Bereich des Behältnisses 1, an denen die Fluidströme in das Behältnis 1 eintreten und aus dem Behältnis 1 austreten. Diese Ein- und Austritte der Fluidströme sind insbesondere daher erforderlich, da über diese Stellen die Anbindung an wichtige Kreisprozesskomponenten, wie den Verdichteraustritt, Turbineneintritt, Reformereintritt, Rekuperatoreintritt, Rekuperatoraustritt, Wassereintritt und Wasseraustritt beim Steam-Reforming erfolgen (teilweise nicht dargestellt). Des Weiteren sind auch die Wasseraustritts, Fluidströme und Wasser-dampf(Gas)eintrittsfluidströme sowie Brenngaseintrittsströme nicht dargestellt. 7a and 7b show embodiments of a container according to the invention 1 as in 3 , in each case only partial areas are shown. In 7a only the partial area is shown, which is the upper part of the container 1 shows and in 7b only the partial area is shown, which is the lower part of the container 1 shows. In both figures, in particular the outer area of the container 1 shown, are preferably at two points fluid flows in and discharged. In 7a become the body of the container 1 shown at which the fluid flows from the container 1 in a heat exchange recuperator 6 enter and the locations where the fluid flows from the heat exchange recuperator 6 in the container 1 enter. 7b shows the places in the lower part of the container 1 at which the fluid flows into the container 1 enter and out of the container 1 escape. These inlets and outlets of the fluid streams are therefore particularly necessary because of these locations, the connection to important cycle components, such as the compressor outlet, turbine inlet, reformer inlet, Rekuperatoreintritt, recuperator, water inlet and water outlet during steam reforming done (partially not shown). Furthermore, the water outlet, fluid streams and water vapor (gas) are ingress fluid streams and fuel gas inlet streams not shown.

In 8 ist eine Prinzipskizze für eine Ausführungsform und das dazugehörige Wärmeschaltbild eines erfindungsgemäßen Behältnisses 1 wie in 4 gezeigt, in Form einer Mikrogasturbinenanlage dargestellt. Solche kleinen Anlagen werden zukünftig eine große Rolle für das Energiemanagement spielen, da mit ihnen eine hocheffektive Rückverstromung von chemisch gebundener Energie (z.B. als Methan aus einem Power-to-Gas Prozess) in Strom möglich sein wird.In 8th is a schematic diagram of an embodiment and the associated thermal circuit diagram of a container according to the invention 1 as in 4 shown, represented in the form of a micro gas turbine plant. In the future, such small plants will play a major role in energy management, since they will enable a highly effective reconversion of chemically bound energy (eg as methane from a power-to-gas process) into electricity.

Das Potential des Kraftwerkkonzepts liegt in der Verschaltung der Hochtemperaturbrennstoffzelle 2 mit der Turbine 7. Mittels des Verdichters 8 wird die Prozessluft für die Hochtemperaturbrennstoffzelle 2 verdichtet.The potential of the power plant concept lies in the interconnection of the high-temperature fuel cell 2 with the turbine 7 , By means of the compressor 8th becomes the process air for the high-temperature fuel cell 2 compacted.

Diese komprimierte Luft wird im Wärmetauscher-Rekuperator 6 vorgeheizt, bevor sie über einen zweiten Wärmetauscher 9, welcher seine Wärme aus der Nachverbrennung (hier nicht dargestellt) bezieht, in die Kathode 2a einer Hochtemperaturbrennstoffzelle 2 geleitet wird. Die Wärme aus der Nachverbrennung ist erforderlich, da in den meisten Betriebspunkten die Abgaswärme hinter der Turbine 7 zur Vorwärmung der Luft im Wärmetausch-Rekuperator 6, auf die Betriebstemperatur der Hochtemperaturbrennstoffzellen 2 und die Turbineneintrittstemperatur, nicht ausreicht. Die erforderliche Höhe der Temperatur, welche höher als die Betriebstemperatur der Hochtemperaturbrennstoffzellen sein muss, kann nur so erreicht werden.This compressed air is in the heat exchanger recuperator 6 preheated before passing through a second heat exchanger 9 , which receives its heat from the post-combustion (not shown here), into the cathode 2a a high temperature fuel cell 2 is directed. The heat from the post-combustion is required because in most operating points the exhaust heat behind the turbine 7 for preheating the air in the heat exchange recuperator 6 , to the operating temperature of the high-temperature fuel cells 2 and the turbine inlet temperature is insufficient. The required level of temperature, which is higher than the operating temperature of High temperature fuel cells must be, can only be achieved.

In der Hochtemperaturbrennstoffzelle 2 reagiert der Sauerstoff an der Anode 2b mit dem Kohlenmonoxid und dem Wasserstoff des Brenngases (Syngas aus der Reformierung) zu Wasser und Kohlendioxid. Es wird auf der Kathodenseite 2a die erhitzte Luft dem Hochtemperaturbrennstoffzellenstapel 2 zugeführt. Dort wird jedes Sauerstoffmolekül unter Zuhilfenahme von vier Elektronen in zwei O₂-Ionen aufgeteilt. Diese diffundieren durch den Elektrolyten zur Anode 2b, um dort mit dem Brenngasionen zu oxidieren. Zwischen Anode 2b und Kathode 2a entsteht hierdurch eine Elektronen- und Ionenpotentialdifferenz. Der entstehende Gleichstrom wird in einem Wechselrichter (hier nicht dargestellt) auf den gewünschten Bedarf gewandelt. Im Hochtemperaturbrennstoffzellenstapel 2 findet keine vollständige Umsetzung statt. Um den Restanteil der brennbaren Bestandteile im Anodenabgas energetisch zu nutzen, wird dieser einer Nachoxidation (Nachverbrennung und/oder einem Katalysator) zugeführt (hier nicht dargestellt). Der Restsauerstoff im Kathodenabgas dient dabei als Oxidationspartner. Die dabei entstehenden heißen Abgase fließen über den zweiten Wärmetauscher 9 und erhöhen die Temperatur der aus dem Wärmetausch-Rekuperator 6 kommenden Luft auf die Betriebstemperatur. Im Anschluss daran fließen die Abgase zur Turbine 7. Hier erfolgt die Expansion. Die Turbine 7, treibt über eine gemeinsame Welle den Generator 11 und den Verdichter 8 an. Das Turbinenabgas gibt Wärmeenergie an die druckstabile Schicht 3e und im Wärmetausch-Rekuperator 6 an die verdichtete Luft ab. Die restliche Wärmeenergie wird in weiteren Wärmetauschern zur Vorwärmung des Dampfes (beim Steam-Reforming-Prozess (hier nicht dargestellt), des Brenngases und für Heizzwecke verwendet.In the high temperature fuel cell 2 The oxygen at the anode 2b reacts with the carbon monoxide and the hydrogen of the fuel gas (syngas from the reforming) to water and carbon dioxide. It will be on the cathode side 2a the heated air the high temperature fuel cell stack 2 fed. There, each oxygen molecule is split into two O ₂ ions with the help of four electrons. These diffuse through the electrolyte to the anode 2b to oxidize there with the fuel gas ions. Between anode 2b and cathode 2a This results in an electron and ion potential difference. The resulting direct current is converted in an inverter (not shown here) to the desired demand. In the high temperature fuel cell stack 2 There is no complete implementation. In order to use the remaining portion of the combustible components in the anode exhaust gas energetically, this is a post-oxidation (afterburning and / or a catalyst) fed (not shown here). The residual oxygen in the cathode exhaust gas serves as oxidation partner. The resulting hot exhaust gases flow through the second heat exchanger 9 and increase the temperature of the heat exchange recuperator 6 coming air to the operating temperature. After that, the exhaust gases flow to the turbine 7 , Here is the expansion. The turbine 7 , drives the generator via a common shaft 11 and the compressor 8th at. The turbine exhaust gas gives heat energy to the pressure-stable layer 3e and in the heat exchange recuperator 6 to the compressed air. The remaining heat energy is used in further heat exchangers for preheating the steam (in the steam reforming process (not shown here), the fuel gas and for heating purposes.

Vorteilhaft an der vorliegenden Erfindung ist, dass der Wirkungsgrad des Gesamtprozesses durch die Integration der Hochtemperaturbrennstoffzelle in ein Mikrogasturbinensystem auf einen Wert deutlich über dem Wirkungsgradwert der „reinen Hochtemperaturbrennstoffzelle (z.B. SOFC)“ gesteigert wird. Diese Bauart liefert Wirkungsgrade welche sich im Maximalbereich des physikalisch Möglichen bewegen. Hierbei erfolgt eine exergetisch sinnvolle Wandlung der chemischen Energie des Brennstoffes in elektrische Energie. Zunächst erfolgt eine elektrochemische Wandlung in elektrische Energie im Rahmen des maximal exergetisch Machbaren über die Hochtemperaturbrennstoffzellen. Das über die Hochtemperaturbrennstoffzelle nicht wandelbare Exergiepotential (resultierend aus der Wärmeerscheinung bei hoher Temperatur und des nicht konvertierten Brennstoffes) wird durch die Einbettung der Hochtemperaturzelle mit einer anschließenden Nachoxidation des nicht konvertierten Brennstoffes in dem MGT-Prozess zur Arbeitserzeugung weiter genutzt.An advantage of the present invention is that the efficiency of the overall process is increased by integrating the high temperature fuel cell into a micro gas turbine system well above the efficiency value of the "pure high temperature fuel cell (e.g., SOFC)". This design provides efficiencies which are within the maximum range of the physically possible. Here, an exergetically meaningful conversion of the chemical energy of the fuel into electrical energy takes place. First, an electrochemical conversion into electrical energy takes place within the framework of the maximum exergetic feasibility via the high-temperature fuel cells. The non-convertible exergy potential via the high temperature fuel cell (resulting from the high temperature and non-converted fuel thermal phenomena) is further utilized by the embedding of the high temperature cell with subsequent post-oxidation of the unconverted fuel in the MGT process for work generation.

Des Weiteren vorteilhaft an dem erfindungsgemäßen Behältnis ist, dass

a) ...die Materialwahl der äußeren Schicht, sich nach einer deutlich geringeren Temperatur (als die der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle) richtet.
b) ...die kreisprozessbedingten Wärmeverluste (Exergieverluste) deutlich minimiert werden. Diese Wärme wird durch die gewählte Flussrichtung des Arbeitsfluides immer wieder in „Richtung des Prozesszustandes mit höherer Temperatur“ zurückgespielt.
c) ...eine kompakte Bauweise des erfindungsgemäßen Behältnisses erlaubt.
d) ...sicherheitsrelevante Aspekte verbessert werden (kühlere Hülle = geringere Verbrennungsgefahr, Reduktion der Explosionsgefahr / die Schwachstelle wird im Falle der torusartigen Ausführung in das Zentrum gelegt).
e) ...die Kosten durch weniger und kostengünstigeres Material deutlich gesenkt werden. Im Fall eines äußeren Wassermantels kann sogar Kunststoff als äußere Schicht eingesetzt werden.
f) ...die Wärmekapazität in der Apparatur deutlich gesenkt wird (Verbesserung des zeitlichen Ansprechverhaltens).

Furthermore, it is advantageous for the container according to the invention that

a) ... the choice of material of the outer layer, after a much lower temperature (than the operating temperature of the fuel cell) depends.
b) ... the cycle-related heat losses (exergy losses) are significantly minimized. This heat is repeatedly played back in the "direction of the process state with higher temperature" by the selected flow direction of the working fluid.
c) ... allows a compact design of the container according to the invention.
d) ... safety-relevant aspects are improved (cooler shell = lower risk of burns, reduction of the risk of explosion / the weak point is placed in the center in the case of a torus-like design).
e) ... the costs are significantly reduced by less and less expensive material. In the case of an outer water jacket, even plastic can be used as the outer layer.
f) ... the heat capacity in the apparatus is significantly reduced (improvement of the temporal response).

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung noch einmal in anderen Worten zusammengefasst. Sie betrifft eine Anordnung von ringspaltförmigen um eine Zentralachse geschichtete Kanälen (incl. der dazwischenliegenden Wärmeisolierschichten), welche die Verbindungskanäle zu den einzelnen Komponenten eines Hochtemperaturbrennstoffzellensystems in hybrider Ausführung (Kombinationen mit einer Wärmekraftmaschine) oder nicht hybrider Ausführung bilden. Die Kanäle sind so angeordnet, dass Verlustwärme durch die Fluidflussrichtung wieder zurücktransportiert wird. Der Haupteinsatzbereich ergibt sich bei druckaufgeladenen Hochtemperaturbrennstoffzellen, wie man sie bei der Kombination einer Mikrogasturbine mit eingebetteten Hochtemperaturbrennstoffzellen vorfindet. Hierbei bildet die äußerste Schale (bei der zentralen Abgasführung zuzüglich der inneren der Achse zugewandten ringspaltförmigen Kanalwand) den Druckbehälter, welcher sich auf einem niedrigeren vorteilhaften Temperaturniveau (im Bereich der Umgebungsbedingung oder Abgastemperaturniveau) befindet.Hereinafter, the present invention will be summarized again in other words. It relates to an arrangement of annular gaps around a central axis stratified channels (including the intervening Wärmeisolierschichten), which form the connection channels to the individual components of a high-temperature fuel cell system in hybrid design (combinations with a heat engine) or non-hybrid design. The channels are arranged so that heat loss is transported back through the fluid flow direction. The main area of use is in pressure-charged high temperature fuel cells, such as those found in the combination of a micro gas turbine with embedded high temperature fuel cells. Here, the outermost shell (in the central exhaust passage plus the inner axis-facing annular gap-shaped channel wall) forms the pressure vessel, which is at a lower advantageous temperature level (in the range of ambient condition or exhaust gas temperature level).

Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Behältniscontainer
22: HochtemperaturbrennstoffzellenHigh-temperature fuel cells
2a2a: Kathodecathode
2a2a: Anode anode
33: Schichtenlayers
3a3a: äußere Schichtouter layer
3b3b: innere Schichtinner layer
3c3c: dritte Schichtthird layer
3d3d: vierte Schichtfourth shift
3e3e: druckstabile Schicht pressure stable layer
44: Zwischenraumgap
4a4a: erster Zwischenraumfirst gap
4b4b: zweiter Zwischenraumsecond space
4c4c: dritter Zwischenraum third space
55: Mittelvolumenmedium volume
66: Wärmetausch-RekuperatorHeat exchange recuperator
77: Turbineturbine
88th: Verdichtercompressor
99: zweite Wärmetauschersecond heat exchanger
1010: Dampfgeneratorsteam generator
1111: Generatorgenerator
1212: TurbosatzTurbo kit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 2057708 B1 [0003]EP 2057708 B1 [0003]

Claims

Behältnis (1) zur Aufnahme und zum Betrieb von Hochtemperaturbrennstoffzellen (2), umfassend mehrere übereinander angeordnete Schichten (3), wobei eine äußere Schicht (3a) das Behältnis (1) nach außen hin begrenzt und im so ausgebildeten Innenraum des Behältnisses (1) weitere Schichten (3) angeordnet sind, wobei eine innere Schicht (3b), zur Aufnahme von Hochtemperaturbrennstoffzellen (2), zentral im Innenraum des Behältnisses (1) angeordnet ist und die Hochtemperaturbrennstoffzellen (2) vollständig umhüllt, eine dritte Schicht (3c), welche über der inneren Schicht (3b) angeordnet ist und diese vollständig umhüllt, mindestens eine vierte Schicht (3d), welche über der dritten Schicht (3c) angeordnet ist und diese vollständig umhüllt, und die äußere Schicht (3a), welche über der mindestens vierten Schicht (3d) angeordnet ist und diese vollständig umhüllt, wobei zwischen mindestens zwei übereinander angeordneten Schichten (3) ein durch Fluide durchdringbarer Zwischenraum (4) ausgebildet ist.Container (1) for receiving and operating high-temperature fuel cells (2), comprising a plurality of layers (3) arranged one above the other, wherein an outer layer (3a) bounds the container (1) to the outside and further layers (3) are arranged in the thus formed interior of the container (1), wherein an inner layer (3b), for receiving high-temperature fuel cells (2), is arranged centrally in the interior of the container (1) and completely envelops the high-temperature fuel cells (2), a third layer (3c) disposed over and fully enveloping the inner layer (3b), at least a fourth layer (3d), which is disposed over the third layer (3c) and completely envelopes, and the outer layer (3a), which is arranged above the at least fourth layer (3d) and completely envelopes it, wherein between at least two superposed layers (3) is formed by a fluid-penetrable space (4).

Behältnis (1), gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Innenraum des Behältnisses (1) eine zusätzliche Schicht angeordnet ist, wobei diese Schicht eine druckstabile Schicht (3e) ist.Container (1), according to Claim 1 , characterized in that in the interior of the container (1) an additional layer is arranged, wherein this layer is a pressure-stable layer (3e).

Behältnis (1), gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Schicht (3b) zumindest zweiteilig aufgebaut ist, wobei der Teil der Schicht, welcher den Hochtemperaturbrennstoffzellen (2) zugewandt ist, eine Speicherschicht ist.Container (1), according to Claim 1 or 2 , characterized in that the inner layer (3b) is constructed at least in two parts, wherein the part of the layer which faces the high-temperature fuel cells (2) is a storage layer.

Behältnis (1), gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Behältnis (1) im Wesentlichen eine kugelartige, kubusartige oder vieleckartige Form aufweist.Container (1), according to one of Claims 1 to 3 , characterized in that the container (1) has a substantially spherical, cube-like or polygonal shape.

Behältnis (1), gemäß Anspruch 4, dass die Kugel, der Kubus oder das Vieleck gegebenenfalls entlang mindestens einer seiner Rotationsachse gestreckt und/oder verzerrt ist.Container (1), according to Claim 4 in that the sphere, cube or polygon is optionally stretched and / or distorted along at least one of its axis of rotation.

Behältnis (1), gemäß Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Behältnis (1) rotationssymmetrisch ist.Container (1), according to Claim 4 or 5 , characterized in that the container (1) is rotationally symmetrical.

Behältnis (1), gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Schicht (3b) eine torusartige Form aufweist und ein Mittelvolumen (5) ausbildet, welches konisch, zylindrisch oder hyperbolisch ausgebildet ist.Container (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the inner layer (3b) has a toroidal shape and forms a central volume (5) which is conical, cylindrical or hyperbolic.

Behältnis (1), gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochtemperaturbrennstoffzellen (2) planar tubulär, monolithisch oder eine Kombination der planaren und tubulären Bauweise sind.Container (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the high-temperature fuel cells (2) are planar tubular, monolithic or a combination of the planar and tubular construction.

Behältnis (1), gemäß einem der vorangehende Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochtemperaturbrennstoffzellen (2), welche planar sind, als Hochtemperaturbrennstoffzellenstapel ausgebildet sind.Container (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the high-temperature fuel cells (2), which are planar, are formed as a high-temperature fuel cell stack.

Behältnis (1), gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Schichten (3) aus hochwarmfesten metallischen Materialien, Metall, Legierungen, Stahl, Kunststoff, Keramik, Schaumstoff, deren Kombinationen oder Verbundwerkstoffen bestehen.Container (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the respective layers (3) consist of highly heat-resistant metallic materials, metal, alloys, steel, plastic, ceramic, foam, their combinations or composite materials.

Behältnis (1), gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Schichten (3) aus unterschiedlichen Materialien bestehen, welche unterschiedliche Wärmedurchgangswerte aufweisen.Container (1), according to Claim 10 , characterized in that the respective layers (3) consist of different materials which have different heat transfer values.

Behältnis (1), gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Fluide Betriebsmedien, Kühlmedien, Wärmemedien, Wärmespeichermedien oder Brennstoffe sind.Container (1) according to one of the preceding claims, characterized in that fluids are operating media, cooling media, heat media, heat storage media or fuels.

Behältnis (1), gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Behältnis (1) einen ersten Zwischenraum (4a) zwischen der inneren Schicht (3b) und der dritten Schicht (3c), einen zweiten Zwischenraum (4b) zwischen der dritten Schicht (3c) und vierten Schicht (3d) und einen dritten Zwischenraum (4c) zwischen der vierten Schicht (3d) und äußeren Schicht (3a) aufweist.Container (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the container (1) has a first intermediate space (4a) between the inner layer (3b) and the third layer (3c), a second intermediate space (4b) between the third Layer (3c) and fourth layer (3d) and a third gap (4c) between the fourth layer (3d) and outer layer (3a).

Behältnis (1), gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Zwischenräume (4) von unterschiedlichen Fluiden durchdringbar sind.Container (1), according to Claim 13 , characterized in that the respective intermediate spaces (4) of different fluids are penetrable.

Behältnis (1), gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas vom Mittelvolumen (5) kommend im Wärmetausch-Rekuperator (6) Wärme abgibt.Container (1), according to one of the preceding claims, characterized in that the exhaust gas coming from the central volume (5) emits heat in the heat exchange recuperator (6).

Behältnis (1), gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittelvolumen (5) mit einem Ausgang einer Turbine (7) gekoppelt ist.Container (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the central volume (5) is coupled to an outlet of a turbine (7).

Behältnis (1), gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Zwischenraum (4) mit einem Verdichter (8) gekoppelt ist.Container (1) according to one of the preceding claims, characterized in that at least one intermediate space (4) is coupled to a compressor (8).

Behältnis (1), gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Zwischenraum (4a) und der zweite Zwischenraum (4b) über einen Wärmetausch-Rekuperator (6) miteinander gekoppelt sind.Container (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the first intermediate space (4a) and the second Interspace (4b) via a heat exchange recuperator (6) are coupled together.

Behältnis (1), gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Zwischenraum (4) und der Raum, in dem sich die Hochtemperaturbrennstoffzellen (2) befinden, über einen zweiten Wärmetauscher (9) miteinander gekoppelt sind.Container (1) according to one of the preceding claims, characterized in that at least one intermediate space (4) and the space in which the high-temperature fuel cells (2) are, via a second heat exchanger (9) are coupled together.

Behältnis (1), gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Zwischenraum (4) mit einem Dampfgenerator (10) gekoppelt sind.Container (1) according to one of the preceding claims, characterized in that at least one intermediate space (4) with a steam generator (10) are coupled.